Partie 2 : Données expérimentales
2. Infection de matériel vasculaire à Staphylococcus aureus
2.2. Essai de sensibilisation pharmacologique
2.2.1. Justifications
Nous souhaitions évaluer l’efficacité de différents protocoles d’antibiothérapie dans un modèle murin d’infection de matériel vasculaire. La question des modalités d’administration des différents antibiotiques choisis se posait donc, notamment pour la cloxacilline. Il s’agit en effet du traitement de référence des infections graves à staphylocoques sensibles à la méticilline50, 123‐125
. Son activité antibactérienne est dite « temps‐dépendante » : elle est corrélée à la durée d’exposition à la molécule. Sa demi‐vie d’élimination chez l’homme est courte, de l’ordre de 45 minutes à 1 heure chez des patients à la fonction rénale normale.
Tout ceci concourt à la nécessité d’administrations pluriquotidiennes voire de perfusions continues en pratique clinique humaine.
L’administration parentérale d’antibiotique pluriquotidienne n’est pas sans poser de problèmes chez la souris, d’autant que les demi‐vies d’élimination des molécules administrées chez cet animal sont souvent plus brèves que chez l’homme. Plusieurs protocoles d’administration des pénicillines du groupe M sont retrouvés dans la littérature.
Domenech et al., dans un modèle de péritonite chez la souris (C57BL/6) traitée seulement 24 heures, considèrent que la cloxacilline doit être administrée toutes les 2 heures126. D’autres auteurs, à l’inverse, ne préconisent qu’une injection journalière d’oxacilline (souris Balb/c, modèle d’infection de cuisse)127, de cloxacilline (souris Swissneutropénique, modèle d’infection de cuisse)128, ou de dicloxacilline (souris NMRI, modèle de péritonite)129. Enfin, une équipe préconise d’utiliser de la dicloxacillin (même si « oxacillin » apparaît dans le titre de l’article) en deux injections par jour (infection de cuisse chez la souris Balb/c neutropénique)130.
Pour des raisons techniques évidentes, il est impossible de réaliser des perfusions continues dans les modèles murins. L’administration itérative (toutes les 2 heures !) pose des soucis dans un modèle comme le nôtre dans lequel, comme on le verra plus loin, le traitement antibiotique est poursuivi 48 heures. Cela reviendrait à 24 injections d’antibiotique par souris, ce qui pour des raisons éthiques et de réussite de l’expérimentation, serait impossible à réaliser. Une possibilité, aurait pu être l’utilisation de
cette molécule n’étant pas le traitement choix des infections sévères à staphylocoque131. Notre idée a donc été d’augmenter la durée d’exposition à la cloxacilline après une injection, soit en créant une insuffisance rénale chez la souris, soit en interférant avec l’excrétion tubulaire de la cloxacilline par utilisation du probénecide. Ces deux possibilités ont été évaluées en mesurant les résultats pharmacologiques obtenus après une injection de cloxacilline.
2.2.2. Matériels et méthodes Modèle d’insuffisance rénale chez la souris
Les animaux utilisés sont de nouveau des souris Swiss femelles âgées de 4 semaines, pesant 20‐24g. L’insuffisance rénale est induite par une injection intra‐péritonéale d’acide folique à la posologie de 250 mg/kg dilué dans une solution de bicarbonate de sodium à 0,3M dans un volume total de 0,5 mL par souris. Cette injection est connue pour provoquer une insuffisance rénale tubulaire chez la souris, débutant dès la 24ème heure après l’injection, étant maximale à 24 heures et persistant environ 7 jours avant qu’une récupération ne commence à survenir132‐134. Vingt‐huit souris ont été utilisées pour les expériences réalisées en duplicate. La réalité de l’insuffisance rénale est vérifiée par dosage de la créatinine plasmatique chez la souris à la fois chez une souris témoin (n’ayant pas reçu d’acide folique) et chez une souris traitée (méthode enzymatique Cobas/Roche®).
Soixante douze heures après l’injection d’acide folique, un traitement par cloxacilline est administré à la posologie de 80 mg/kg par injection sous‐cutanée. Des prélèvements sanguins par ponction intracardiaque sont réalisés à 0,25, 0,5, 1, 1,5, 2, 3 et 4 heures après cette injection. Deux souris sont utilisées à chaque prélèvement, réalisé sous anesthésie (Isoflurane). Les souris prélevées sont ensuite euthanasiées encore endormies par dislocation cervicale. Le sang, placé dans un microtube contenant 0,4 μL d’héparine à 25 000 UI/5mL pour 1 mL de sang, est centrifugé à 5000 tours/min pendant 10 minutes à 4°C. Le plasma est alors prélevé.
Les dosages plasmatiques sont effectués grâce à la méthode de diffusion des antibiotiques en milieu gélosé : une gamme de concentration de cloxacilline, en progression
géométrique de raison 2, entre 0,5 et 256 mg/L, est distribuée dans les puits d’une gélose AM2 (Antibiotique Medium), ensemencée avec la bactérie indicatrice Bacillus subtilis. Les échantillons à doser sont déposés parallèlement à cette gamme étalon. Après incubation de 24 heures à 37°C, la droite de régression entre le logarithme des concentrations de la gamme et les diamètres d’inhibition correspondants est construite. Les diamètres obtenus avec les échantillons à doser sont ensuite reportés sur la droite permettant de calculer la concentration correspondante. Le seuil de détection est de 0,5 mg/L. Les coefficients de variation intra et inter‐expérimentation sont inférieurs à 5%135. Un exemple de droite de corrélation obtenue pour la mesure de concentration de cloxacilline est fourni dans la figure 9.
Modèle utilisant le probénecide
On utilise de nouveau 28 souris de même type. Le probénecide (Sigma‐Aldrich®, Saint‐
Quentin Fallavier, France) est administré à la souris à la posologie de 70 mg/kg (dilué pour obtenir une solution de 0,5 mL dans du bicarbonate de sodium) en intrapéritonéal136, une heure avant l’administration de cloxacilline (80 mg/kg). Des prélèvements sanguins et les dosages pharmacologiques sont réalisés de manière parfaitement identique à ce qui a été fait pour l’acide folique.
Trente souris seront ensuite utilisées dans cette partie pour comparer l’efficacité de la cloxacilline seule à celle de la cloxacilline associée au probénecide dans notre modèle d’infection de matériel vasculaire selon les mêmes modalités du modèle final qui sera détaillé dans la partie suivante. Brièvement et spécifiquement pour cette comparaison, le Dacron® implanté chez les souris est infecté par un inoculum de SAMS 27 217 (0,2 mL de solution de sérum physiologique contenant 107 S. aureus) selon les mêmes modalités que celles décrites précédemment. Deux jours plus tard, le traitement par cloxacilline est débuté à la posologie de 200 mg/kg/12 heures en injection sous‐cutanée, associée ou non au probénecide. Les souris sont réparties comme suit : 5 souris témoins (non traitées), 5 souris traitées par cloxacilline seule, 5 souris traitées par cloxacilline et probénecide. Cette expérience est réalisée deux fois. Après 48 heures de ce traitement, le Dacron® est explanté,
ainsi que la rate pour mise en culture et compte bactérien (même procédure que précédemment). Le plan d’expérimentation est fourni dans la figure 13, page 86.
Les résultats sont comparés par le logiciel GraphPadprism (version 6.0; GraphPad Software, San Diego, CA, USA). Une analyse de variance ANOVA est réalisée pour comparer les effets entre les différents groupes, suivie par un test de Bonferroni pour comparer les groupes deux à deux. Une valeur de P< 0,05 est considérée comme significative.
y = 5,0632ln(x) + 6,7321
Diamètre = 5,0632Ln (concentration) + 6,7321 Donc : concentration (mg/L) = e((diamètre-6,7321)/5,0632)
Diamètre d’inhibition (mm)
Concentration (mg/L)
2.2.3. Résultats Modèle d’insuffisance rénale
Ce modèle est pourvoyeur de mortalité importante de 30%. La dégradation de la fonction rénale des souris est finalement assez modérée puisque la créatinine plasmatique passe de 17 μmol/L (+/‐ 2) avant injection d’acide folique à 31 μmol/L (+/‐ 4) après.
Pour autant, cette injection entraîne une augmentation très importante du pic de cloxacilline passant, en moyenne, de 28,27 mg/l pour la cloxacilline seule à 250 mg/L chez les souris ayant reçu de l’acide folique (figure 10a). L’aire sous la courbe est en conséquence largement plus importante après injection d’acide folique : 286,9 vs 22. La demi‐vie n’est par contre pas réellement allongée.
Modèle utilisant le probénecide
Aucune mortalité n’est constatée dans ce modèle. Là‐aussi, le pic est largement augmenté, passant en moyenne, de 28,27 mg/L à 112,84 mg/L, même si cette augmentation est moins marquée qu’avec l’acide folique. L’aire sous la courbe est plus importante : 167,7 vs 21,08. Là encore la demi‐vie n’est pas le paramètre pharmacocinétique le plus impacté (figure 10b).
Les résultats d’analyse comparée de l’efficacité de la cloxacilline seule et de la cloxacilline associée au probénecide sont décevants. Ces efficacités sont, en effet, très similaires voire moins bonnes avec le probénecide puisqu’on retrouve une diminution de – 1,17 log10 UFC/cm2 pour la cloxacilline seule et ‐0,7 log10 UFC/cm2 lorsqu’elle est associée au probénecide (P> 0,05) en sachant que les comptes bactériens retrouvés pour les souris contrôles étaient de 6,65 log10 UFC/cm2.
En conclusion, le modèle comportant de l’acide folique est abandonné du fait d’une mortalité trop importante et de résultats peu convaincants. Le modèle avec injection de probénecide est lui aussi arrêté du fait de résultats très décevants. La cloxacilline sera donc injectée seule dans les expérimentations suivantes.
0
Concentration en cloxacilline (mg/L)
Probénécide + Cloxacilline Cloxacilline seule
1
2.3. Efficacité comparée de différents antibiotiques dans le modèle 2
d’infection de matériel vasculaire à Staphylococcus aureus 3
Cette partie a été l’objet de la rédaction d’article soumis au Journal of Antimicrobial 4
Chemotherapy (JAC) et actuellement en cours de révision. Pour éviter les répétitions, cet 5
article tel qu’il a été soumis pour publication sera présenté dans les pages suivantes (pages 6
60 à 83) et seuls les éléments n’apparaissant pas dans l’article seront rajoutés.
7
La bibliographie de l’article soumis a été actualisée lors de l’intégration du texte au reste 8
de ce mémoire. Elle a été intégrée à la bibliographie générale de la thèse. Les appels dans le 9
texte n’ont donc plus les mêmes valeurs que celles de la soumission.
10
11
Title page 12
13
New in vitro and in vivo Models to evaluate Antibiotic Efficacy in Staphylococcus aureus 14
Prosthetic Vascular Graft Infection 15
16
M. Revest1,2,3, C. Jacqueline1, R. Boudjemaa4, J. Caillon1, V. Le Mabecque1, A. Breteche1, K.
17
Steenkeste4, P. Tattevin2,3, G. Potel1, C. Michelet2,3, MP. Fontaine-Aupart4, D. Boutoille1,5 18
19 20
1Université Nantes, Faculté de Médecine EA3826 Nantes, France 21
2CHU Rennes Infectious Diseases and Intensive Care Unit, Pontchaillou Hospital, 35033 22
Rennes Cedex, France 23
3 CIC Inserm 1414, Rennes 1 University, Pontchaillou Hospital, 35033 Rennes Cedex, France 24
4Institut des Sciences Moléculaires Orsay, CNRS, Université Paris-Sud France 25
5 CHU Nantes, Infectious Diseases Unit, Hôtel Dieu, Nantes, France 26
27
Corresponding author:
28
Dr Matthieu Revest, 29
CHU Rennes Infectious Diseases and Intensive Care Unit, Pontchaillou Hospital, 35033 30
Rennes Cedex, France 31
Running title: evaluation of different antibiotics for vascular prosthesis infections treatment 36
37
Key words: Staphylococcus aureus, animal models, biofilm, surgical infection, vascular 38
prosthesis infections 39
New in vitro and in vivo Models to evaluate Antibiotic Efficacy in Staphylococcus aureus 40
Prosthetic Vascular Graft Infection 41
42
M. Revest1,2,3, C. Jacqueline1, R. Boudjemaa4, J. Caillon1, V. Le Mabecque1, A. Breteche1, K.
43
Steenkeste4, P. Tattevin2,3, G. Potel1, C. Michelet2,3, MP. Fontaine-Aupart4, D. Boutoille1,5 44
45 1
Université Nantes, Faculté de Médecine EA3826 Nantes, France 46
2CHU Rennes Infectious Diseases and Intensive Care Unit, Pontchaillou Hospital, 35033 47
Rennes Cedex, France 48
3 CIC Inserm 1414, Rennes 1 University, Pontchaillou Hospital, 35033 Rennes Cedex, France 49
4Institut des Sciences Moléculaires Orsay, CNRS, Université Paris-Sud France 50
5 CHU Nantes, Infectious Diseases Unit, Hôtel Dieu, Nantes, France 51
approximately 50 000 in France.2 Prosthetic vascular graft infections (PVGIs) are among the 55
most serious complications associated with these procedures.3 Their frequency is estimated to 56
undergo leg amputation.41Staphylococcus aureus is the most commonly causative organism 60
and methicillin resistant S. aureus (MRSA) account for almost 50% of S. aureus PVGIs in 61
North America.60Clinical data regarding the optimal antibiotic therapy for these infections are 62
scarce, in the absence of any comparative clinicaltrial dealing with PVGIs treatment and 63
current recommendations for treatment of PVGIs are only based on expert opinion.137 Hence, 64
experimental data are needed to better identify the optimal antibiotic regimens for PVGIs.
65
Like any other indwelling material infections, biofilm developed onto the vascular prosthesis 66
plays a significant role in the difficulties encountered for treating PVGIs. Firstly, biofilm acts 67
as a mechanical barrier against antibiotic penetration. Secondly, bacteria embedded in a 68
mature biofilm enter in an altered metabolic state associated with a dramatic decrease of 69
susceptibility to most antibiotics.90, 92 Many studies showed that minimal biofilm inhibitory 70
concentrations (MBIC) and minimal biofilm eradicating concentrations (MBEC) of 71
antibiotics are much higher than minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum 72
bactericidal concentration (MBC) measured on planktonic bacteria.138-140 However, most 73
studies evaluated antibiotics efficacy on artificial materials not used in clinical practice, 74
although the nature of the material may influence these results. In addition, although helpful, 75
in vitro data may fail to capture what happens in vivo. Specific animal models of PVGIs exist 76
but have mainly been used to evaluate techniques to prevent PVGIs,141-144 and an animal 77
model assessing the efficacy of different antibiotics regimen on infection of a Dacron® 78
vascular prosthesis used in clinical daily practice has not been described so far.
79
In this study, we investigated the activities of cloxacillin, vancomycin, daptomycin and 80
rifampicin against different strains of methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) and MRSA in 81
vitro. Those activities were determined against planktonic bacteria (MIC and MBC), and 82
against adherent bacteria (MBIC and MBEC). To evaluate whether the nature of the support 83
influence results for MBIC and MBEC, two different techniques were used: a largely used 84
modified version of the Calgary Biofilm Pin Lid Device (CBPD) and an original model of 85
Dacron®-related biofilm. Then, cloxacillin, vancomycin, daptomycin whether or not 86
combined with rifampicin, were evaluated in a new mouse vascular-material infection model, 87
using the same strains of S. aureus.
88
89
Materials and methods
90
Bacterial strains 91
Six different strains of S. aureus were used for all experiments. For MSSA: two different 92
clinical strains, thereafter named 171 and 176, isolated from patients with S. aureus 93
bloodstream infections, and one strain from the American Type Culture Collection: ATCC 94
27217. For MRSA: two different strains, thereafter named BCB8 and 117, also isolated from 95
blood cultures, and one ATCC strain: ATCC 33591. Bacteria were stored in a cryovial bead 96
preservation system at -80°C.
97
98
Antimicrobial agents 99
Clinical forms of the following antibiotics were used: cloxacillin (Astellas Pharma, Levallois-100
Perret, France) stored in a 100 mg/mL stock-solution, vancomycin (Sandoz, Levallois-Perret, 101
France) stored in a 50 mg/mL stock-solution, daptomycin (Novartis Pharma SAS, Rueil-102
Malmaison, France) stored in a 50 mg/mL stock-solution and rifampicin (Sanofi-Aventis, 103
Paris, France) stored in a 60 mg/mL stock-solution. All the stock-solutions were prepared in 104
sterile and pyrogen-free 0.9% saline except for rifampicin prepared in sterile water, and stored 105
at -80°C before utilization.
106
107
In vitro experiments 108
All the following experiments were performed at least in duplicate, with all the 109
staphylococcal strains evaluated. For each strain, we measured the MICs and the MBCs, the 110
MBICs and the MBECs, and the Dacron®-related minimal biofilm inhibitory concentrations 111
(dMBICs) and the Dacron®-related minimal biofilm eradicating concentrations (dMBECs).
112
Biofilm formation was compared between polystyrene (CPBD) and Dacron® using confocal 113
microscopy.
114
MICs and MBCs 115
The MICs and the MBCs values for cloxacillin, vancomycin, daptomycin and rifampicin were 116
determined by the broth macrodilution method in cation-adjusted Mueller-Hinton broth 117
(CAMHB), according to the European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing 118
(EUCAST). Media were supplemented with 50 mg/L Ca2+ for daptomycin.
119
MBICs and MBECs 120
A modified Calgary device was used as previously described.138, 145 Briefly, biofilm was 121
formed by immersing pegs of a modified microtiter lid into wells of a flat-bottom 96-well 122
microtiter plate. Each well was filled with 150 µL of a 3 McFarland S. aureus broth medium 123
solution. After a 24-h incubation at 37°C, pegs lids were rinsed 3 times in sterile water, placed 124
onto flat-bottom microtiter plates containing antibiotic twofold dilutions in 150 µL of 125
CAMHB per well, and incubated for 24 h at 37°C. The MBIC were defined as the minimal 126
concentration of antibiotic required inhibiting bacterial growth, as determined by reading 127
MBEC was defined as the minimal concentration of antibiotic where no bacterial growth was 132
documented.
133
dMBICs and dMBECs 134
Commercially available woven Dacron® grafts (CardialTM, Bard, Saint-Etienne, France) were 135
cut into 1 cm x 1 cm squares and sterilized. To cover the biomaterial with proteins and thus to 136
(control groups) or serial antibiotic dilutions, and incubated during 24 h at 37°C. dMBIC for 143
each antibiotic and strain couple was defined as the antibiotic concentration of the first tube 144
with no visible bacterial growth. Then, Dacron® patches for which no bacterial growth was 145
documented, were removed from their tubes, rinsed 3 times in sterile water, dried with a 146
sterile gauze compress and plunged again in MHB. A sonication (35kHz during 5 minutes) 147
was performed followed by vortexing for 30 seconds and these MHB containing the Dacron® 148
sheets were incubated 24 h at 37°C. dMBECs were defined as the antibiotic concentration of 149
the first tube with no bacterial growth.
150
Confocal microscopy evaluating biofilm formation depending on the support 151
Twenty-four h-biofilms prepared as previously described were observed using a Leica TCS 152
SP5 confocal laser scanning microscope (Leica Microsystems, France) implemented at the 153
Centre de Photonique Biomédicale(CPBM, Orsay, France). Bacteria were stained with 2.5 154
500 and 600 nm for Syto9® and between 640 and 750 nm for PI. Images were acquired using 158
a 63x with a 1.4 numerical aperture oil immersion objective. The size of the confocal images 159
was 512 x 512 pixels (82x82 µm²), recorded with a z-step of 1 µm and a 3x zoom. For each 160
biofilm, at least four different regions were analysed. Images of the biofilm prepared on the 161
In vivo experiments 165
All experiments were approved by the French ministry of research and the committee of 166
animal ethics of the Pays de la Loire administrative region.
167
Animals 168
Four-weeks old female Swiss mice (RjOrl/SWISS, Janvier laboratory St Berthevin, France) 169
weighing approximately 20 g were maintained on a 12-h light/dark cycle with free access to 170
food and water. Their well-being was checked daily. Eight to 15 animals per group were used
healthy female Swiss mice during 24 h at 37°C. Then, they were implanted into mice.
175
Surgical procedures 176
Mice were anesthetized with ketamine (70 mg/kg) and Xylazine (10 mg/kg) through 177
intraperitoneal (IP) injection. Under sterile conditions, a 10-mm horizontal incision in the 178
center of the back, with the mouse in the prone position, was made to create a subcutaneous 179
pocket. For each mouse, a sterile Dacron®patch was implanted into this pocket. Skin was 180
closed with sutures (Vicryl 5/0). Two days after Dacron® implantation, a saline solution (0.2 181
mL) containing 107 CFU of S. aureus was transcutaneously inoculated onto the graft surface 182
with a tuberculin syringe. During inoculation, mice were anesthetized with isoflurane 183
(0.8L/min, 3%).
184
Antimicrobial treatment regimens 185
All the antibiotics used were administered at appropriate dose regimens resulting in serum 186
concentrations similar to those in humans. Mice were randomized into 14 groups. For MRSA:
187
no treatment (controls); vancomycin group (subcutaneous injection (SC), 110 mg/kg/12h);146 188
daptomycin group (50 mg/kg/24h, SC);147 Rifampicin group (30 mg/kg/12h, IP);148 189
vancomycin-rifampicin group; daptomycin-rifampicin group; for MSSA: same groups + 190
cloxacillin group (200 mg/kg/12h, SC)126 and cloxacillin-rifampicin group. Vancomycin and 191
cloxacillin solutions were prepared in sterile 0.9% saline, daptomycin in sterile Ringer-192
Lactate and rifampicin in sterile 5% glucose serum. Mice were treated during 48 h and then 193
euthanized following international guidelines.
194
Bacterial counts 195
Dacron®patches were removed under aseptic conditions, homogenized in 0.5 mL of saline
Animals with positive bacterial culture of spleen were considered to be bacteriemic. In case of 202
positive bacterial culture, in vitro drug susceptibility testing were performed using the Vitek 2 203
automated identification and susceptibility testing system with the Advanced Expert System 204
(bioMerieux, Lyon, France), and interpreted according to the EUCAST criteria.
205
Statistical analysis 206
GraphPad prism software (version 6.0; GraphPad Software, San Diego, CA, USA) was used.
207
Normally distributed data were analyzed using analysis of variance to compare the effects 208
between the different groups, followed by a Bonferroni’s test to compare the groups two by 209
two. P<0.05 was considered to be statistically significant.
210
211
Results
212
In vitro efficacy of antibiotics in biofilm are influenced by the nature of the support 213
Confocal microscopy confirmed a biofilm formation for all the strains on polystyrene (Figure 214
1a), or Dacron® (Figure 1b). However, biofilms formed on Dacron® sheets were less dense 215
and thick as compared to those found with the modified CPBD.
216
MBICs and MBECs measures demonstrated a dramatic reduction of bacterial susceptibilities 217
to all antibiotics tested, for all strains. dMBICs and dMBECs were also higher than MICs and 218
MBCs for all strains tested. However, decreases of susceptibilities were less pronounced on 219
Dacron® than on polystyrene, with the modified Calgary device (Table): for all the conditions 220
evaluated, MBECs were much more higher than dMBECs.
221
222
Daptomycin efficacy on MRSA vascular material infection is superior to comparators 223
for one strain but not for the others 224
There was no difference between bacterial cultures before and after Dacron® sonication. For 225
MRSA BCB8, vancomycin demonstrated efficacy with significant decrease of bacterial count 226
as compared to the control group (- 2.38 log10 CFU/cm2, P< 0.05), but daptomycin was 227
significantly more bactericidal with a dramatic reduction of bacterial load after a 48 h 228
treatment (- 5.85 log10 CFU/cm2as compared to the control group, P< 0.001, and - 3.47 log10
treatment (- 5.85 log10 CFU/cm2as compared to the control group, P< 0.001, and - 3.47 log10